Przepływ prądu elektrycznego przez ciecze i gazy

Co to jest dysocjacja?

•

Dysocjacja

– rozpad cząsteczek elektolitu na kationy (jony dodatnie) i aniony (jony ujemne) pod wpływem wody.

• Dysocjacja może zachodzić też podczas stopienia związków (zasady i sole) • Jony są nośnikami prądu elektrycznego w elektrolicie

1.

Chemiczne źródła energii elektrycznej

• •

Ogniwa: Ogniwo Volty Ogniwo Leclanchego Akumulatory

2.

Przepływ prądu elektrycznego przez gazy

Podstawowe wiadomości o ogniwach galwanicznych

W 1786 r. włoski lekarz i przyrodnik, Luigi Galvani, zaobserwował zjawisko, które doprowadziło w następnych latach do wynalezienia urządzenia, które do dziś nosi nazwę ogniwa galwanicznego. Pierwsze ogniwo skonstruował inny włoski uczony, Alessandro Volta, w roku 1800.

W ogniwie galwanicznym energia chemiczna układu reagentów jest zamieniana na energię elektryczną. Reakcja utleniania-redukcji, która polega na przeniesieniu elektronów pomiędzy indywiduami chemicznymi, jest w ogniwie rozdzielona na dwie reakcje połówkowe - zachodzące równocześnie (zasada zachowania ładunku), ale w różnych miejscach układu. Elektrony przepływają przez zewnętrzny obwód elektryczny, a ich ładunek jest równoważony w układzie przez przepływ jonów ujemnych (anionów) w roztworze elektrolitu.

Alessandro Volta (1745-1827)

-

fizyk włoski, wynalazca, konstruktor i fizjolog

-

wynalazł m.in. elektrofor (1775), kondensator (1782) i ogniwo złożone z elektrod srebrnej i cynkowej oraz wody morskiej jako elektrolitu (była to pierwsza bateria elektryczna tzw. OGNIWO VOLTY, 1800)

-

badał też wpływ elektryczności na organizmy żywe. Odkrył gaz błotny, czyli metan (1776) i oznaczył jego wartość opałową. Na jego cześć jednostkę napięcia elektrycznego nazwano woltem.

„W naczyniu wypełnionym wodą zakwaszoną kwasem siarkowym (VI) umieszczam dwie płytki: miedzianą i cynkową, połączone z miernikiem elektrycznym. Po kilku sekundach miernik pokazuje napięcie ok. 1.05V.

elektrodzie miedzianej powstają drobne pęcherzyki gazu.” Na

OGNIWO VOLTY

Ogniwo Volty można przedstawić schematycznie jak na rysunku poniżej: Składa się ono z dwóch płytek, wykonanych z różnych metali, zanurzonych w roztworze elektrolitu. Rozważmy typowy przykład: w roztworze kwasu siarkowego (VI) zanurzone są płytki cynkowa i miedziana. Ponieważ z rozcieńczonym roztworem takiego kwasu reaguje tylko cynk, płytka z tego metalu pokrywa się szybko pęcherzykami wodoru, wypływającymi ku górze. Na płytce miedzianej nie obserwuje się żadnych przejawów reakcji chemicznej. Tak więc, w układzie zachodzi reakcja cynku z kwasem, według równania: Płytka Zn(-) katoda Płytka Cu(+)anoda Elektrony są przekazywane bezpośrednio przez atomy cynku do jonów wodorowych, które po zobojętnieniu do atomów, na powierzchni metalu łączą się w cząsteczki, a następnie w pęcherzyki gazu.

Sytuacja ulega radykalnej zmianie, gdy obie blaszki zostaną połączone przewodnikiem elektrycznym na zewnątrz układu: Przedstawiony schematycznie miernik elektryczny (amperomierz) wskazuje przepływ prądu. Blaszka cynkowa staje się biegunem ujemnym, a miedziowa dodatnim. Ponadto, na blaszce miedziowej pojawiają się pęcherzyki gazowego wodoru, kosztem znacznego ograniczenia ilości gazu wydzielającego się na powierzchni blaszki cynkowej

Dzięki różnicy potencjałów, powstającej pomiędzy płytkami zanurzonymi w roztworze, elektrony przepływają od blaszki cynkowej elektrody ujemnej, do blaszki miedzianej - elektrody dodatniej. układu, zawierającą płytkę metalową i jej najbliższe otoczenie nazywa się półogniwem lub, po prostu, elektrodą.

Kolejnym krokiem, w celu udoskonalenia ogniwa wytwarzającego prąd, było wyeliminowanie pewnej niedogodności, która ujawniała się po pewnym czasie użytkowania ogniwa. Niedogodnością tą było zbieranie się na elektrodzie miedzianej pęcherzyków wodoru, które zmniejszały jego reagującą powierzchnię. Równocześnie wytrącał się osad siarczanu cynku na płytce cynkowej. Powodowało to stały wzrost oporu wewnętrznego ogniwa i zmniejszenie napięcia na jego biegunach. Rozwiązaniem tego problemu zajął się francuski chemik Georges Leclanché.

Georges Leclanché (1839-1882), chemik francuski, wynalazł ogniwo galwaniczne węglowo cynkowe, zwane suchym ogniwem Leclanchégo.

Zastąpił on miedzianą płytkę pręcikiem grafitowym, pozostawiając cynk jako biegun ujemny. Jako elektrolitu użył stężonego roztworu chlorku amonu, a w celu depolaryzacji pokrywającej się wodorem elektrody węglowej, umieścił ją w płóciennym woreczku, wypełnionym dwutlenkiem manganu z domieszką grafitu. Dwutlenek manganu utleniał wodór do wody, która nie zatrzymywała jonów wodorowych. Mechanizm procesów zachodzących na anodzie nie został do końca wyjaśniony.

Elektroda Grafitowa Płócienny woreczek KATODA W OGNIWIE LECLANCHEGO Dwutlenek manganu

„

Przygotowaną elektrodę dodatnią umieszczam razem z płytką cynkową w stężonym roztworze chlorku amonu. Zamykam obwód elektryczny podłączając elektrody do miernika elektrycznego. Miernik wskazuje napięcie 1.27V.”

Na anodzie przechodzą do roztworu jony cynkowe, po czym łączą się z anionami chlorkowymi i amoniakiem: A (-) Zn → Zn 2+ + 2e 2 NH 4 Cl + Zn 2+ → Zn(NH 3 ) 2 Cl 2 + 2 H + Na grafitowej katodzie następuje proces elektronacji protonów, a powstały w wyniku reakcji wodór łączy się z tlenkiem manganu (IV) tworząc między innymi wodorotlenek manganu(III): K (+) 2 H + + 2MnO 2 + 2e → 2 MnO(OH)

Ogniwo Leclanchego zmodyfikował jago brat i syn, zastępując roztwór chlorku amonowego trocinami nasączonymi tym związkiem, a cynkową płytkę, cylinderkiem z tego metalu. Powstałe po modyfikacjach ogniwo było podobne do dzisiejszych baterii typu UM-2

Akumulatory

• -

Rodzaj ogniwa Ładowanie - zamiana energii elektrycznej w energię chemiczną ► w samochodzie za pomocą prądnicy uruchamianej przez silnik samochodowy ►energii elektrycznej z sieci- z wykorzystaniem prostownika)

-

Eksploatacja (praca akumulatora) – zamiana energii chemicznej w energię elektryczną

•

Budowa np. akumulator samochodowy – płyty ołowiane zanurzone w wodnym roztworze stężonego kwasu siarkowego (VI)

Przepływ prądu elektycznego przez gazy

Prąd elektryczny może przepływać przez gazy gdy są one zjonizowane

• • • • •

Czynniki jonizujące: wysoka temperatura promieniowanie kosmiczne promieniowanie rentgenowskie promieniowanie radioaktywne wysokie napięcie (wywołuje przeskok iskry – pioruny w czasie burzy)

Co wiemy po dzisiejszej lekcji?

•

jakie są chemiczne źródła energii elektrycznej

•

jak zbudować ogniwo i baterię ogniw

•

jaka jest budowa ogniwa, baterii ogniw, akumulatora

•

jakie przemiany energii zachodzą w ogniwie